CN101630866A - 太阳能蓄电系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳能蓄电系统，其连接至少一负载单元。太阳能蓄电系统包括有一太阳能板、一储能单元、一开关单元以及一控制单元。太阳能电池用以接收太阳能后转换成一直流电能；储能单元包括至少一磁性电容，用以储存该直流电能；开关单元耦接于太阳能电池以及储能单元之间；控制单元根据储能单元的电压值来控制开关单元导通与否，进而控制储能单元储存直流电能。

Description

太阳能蓄电系统

技术领域

本发明关于一种蓄电系统，尤其涉及一种太阳能蓄电系统。

背景技术

由于全球气候变迁、空气污染问题以及资源日趋短缺之故，人们已渐渐发展使用太阳能发电作为动力供应主要来源。太阳光是一种可再生、取之不尽，用之不竭的天然能源，其利用太阳能板将光的能量直接转变成电能，发电过程中不会产生二氧化碳等具污染性的气体，又具安全、方便的特性，故近年来以硅晶圆为主的太阳能板市场，正迅速成长着。

即便利用太阳能发电的优点繁多，但太阳能受气候、昼夜的影响很大，因而稳定性差，需要另外使用储能装置，例如蓄电池、抽蓄发电厂等，来将太阳能转成的电能储存起来，待无阳光或夜晚的时候再把储存的能量释放出来。然而，目前所使用的蓄电池，虽然标榜着可重复使用，但还是有寿命限制。在多次充放电或长时间不使用的情况下，蓄电池的容量会下降，且容易损坏，原因在于蓄电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变质，当原来的化合物活性都作用完或将用完时，便无法再进行新的化学反应，进而导致蓄电池老化而宣告寿终。

而且，太阳能虽可经济有效地产生大量电能，而一般的蓄电池却无法提供等量的容量来储存电能，因而必须增加充放电的次数，进而导致蓄电池的使用寿命降低。若是利用多个蓄电池来储存电能，却造成充电电路的结构复杂、空间过于庞大、成本昂贵等现象。

因此，如何能将太阳能转成的电能大量且有效率地储存，又不增加充电电路的复杂度及成本，以善加应用能源，达到环保节约的目的，此为目前急欲解决的一大课题。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提出一种以一磁性电容(magneticcapacitor)作为能量储存装置，进而储存太阳能转换后的电能，以提供负载所需的电力，以有效率地利用太阳能源。

本发明的目的在于提供一种太阳能蓄电系统，能提升充放电次数以及充放电效能。

本发明的又一目的在于提供一种太阳能蓄电系统，能降低蓄电电路的复杂度及开发成本。

本发明的另一目的在于提供一种应用具有能量储存密度高、重量轻、储能容量大、使用寿命长等优点的储能组件的太阳能蓄电系统。

本发明公开一种太阳能蓄电系统，其电性连接至少一负载单元。该太阳能蓄电系统包括有一太阳能板、一储能单元、一开关单元以及一控制单元。太阳能板用以接收太阳能后转换成一直流电能；储能单元包括至少一磁性电容，用以储存该直流电能；开关单元耦接于太阳能板以及储能单元之间；控制单元耦接于太阳能板、储能单元以及开关单元之间，用以根据储能单元的电压值来控制开关单元导通与否，进而控制储能单元储存直流电能以供负载单元使用；其中，当开关单元导通时，电流从太阳能板流至储能单元，进而对磁性电容充电后储存；当开关单元断开时，即停止对磁性电容充电。

在本发明的一具体实施例中，所述的控制单元中包括有一电压检测单元，其用以检测储能单元的电压值。其中，当储能单元的电压值小于一电压门限值时，控制单元控制开关单元导通；否则控制单元控制开关单元断开。该电压检测单元亦可用来检测储能单元以及太阳能板的电压值；其中，当太阳能板的电压值大于储能单元的电压值，控制单元控制开关单元导通；否则控制单元控制开关单元断开。

在本发明的一具体实施例中，所述太阳能蓄电系统更包括一放电电路，耦接于储能单元、控制单元以及负载单元之间，受控制单元的控制使储能单元中的直流电能转换成一交流电能，提供给负载单元运作。

在本发明的一具体实施例中，所述的磁性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及一介电层。介电层设置于第一磁性电极以及第二磁性电极之间。其中，第一磁性电极与第二磁性电极内分别具有磁偶极(magnetic dipole)，用以抑制磁性电容的漏电流。

通过前述技术方案，本发明利用磁性电容来储存太阳能，并提供电力给负载端使用，通过磁性电容的储能特性，进而避免成本、空间的浪费，以及提升充放电次数与效能。

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明为解决现有技术中存在的技术问题所采取的技术方案以及所实现的技术效果。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。

附图说明

图1A为本发明所公开的太阳能蓄电系统的一具体实施例的系统架构图；

图1B为本发明所公开的控制单元的一具体实施例的示意图；

图2为本发明所公开的储能单元与其它公知能量储存媒介的比较示意图；

图3为本发明所公开的磁性电容的一具体实施例的结构示意图；

图4为本发明所公开的第一磁性电极的一具体实施例的结构示意图；以及

图5为本发明所公开的磁性电容组的一具体实施例的示意图。

其中，附图标记：

1太阳能蓄电系统

11太阳能板

13开关单元

15储能单元

151磁性电容

17控制单元

171电压检测单元

173比较器

19放电电路

2负载单元

21第一磁性电极

23介电层

25第二磁性电极

211、251、311、351磁偶极

31第一磁性层

33隔离层

35第二磁性层

4磁性电容组

具体实施方式

本发明所提出的太阳能蓄电系统，使用磁性电容来取代一般太阳能充放电路中的储能电容，以能提高每次储能的容量以及减少充放电次数，如此简化了电路结构，并降低成本。

本发明主要技术特征在于使用一磁性电容作为太阳能蓄电系统的能量储存装置，以下仅提出必要的系统架构，然而，本领域技术人员可知，除了以下所提及的装置及元件外，太阳能蓄电系统当然包括其它的必要组件，因此，不应以本实施例公开的为限。

首先，请参阅图1A，图1A为本发明所公开的太阳能蓄电系统的一具体实施例的系统架构图。如图1A所示，太阳能蓄电系统1电性连接一负载单元2，用以提供电力给负载单元2运作。具体来说，负载单元2可为多个，其可为路灯、电器装置或数字装置的群组组合之一，每一负载单元2通过一电力线(图中未示)来连接放电电路19，以获得电力使之得以运作。

所述的太阳能蓄电系统1包括有一太阳能板11、一储能单元15、一开关单元13、一控制单元17以及一放电电路19。太阳能板11用以接收太阳能后将其转换成一直流电能，具体来说，太阳能板11为一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，其材料种类可选自非晶硅(Amorphous Silicon)、多晶硅(Poly Crystalline)、CdTe、CuInse2等半导体、或三五族、二六族的元素链接等材料。

储能单元15包括至少一磁性电容151，用以储存太阳能板11产生的直流电能；其中，当耦接于太阳能板11以及储能单元15之间的开关单元13导通时，电流从太阳能板11流至储能单元15，进而对磁性电容151充电，并将直流电能储存于磁性电容151中；而当开关单元13断开时，即停止对磁性电容151充电。一具体实施例中，开关单元15为C型金属氧化物半导体(CMOS)、N型金属氧化物半导体(NMOS)、H型金属氧化物半导体(HMOS)、D型金属氧化物半导体(DMOS)或V型金属氧化物半导体(VMOS)的其中之一。

控制单元17耦接于太阳能板17、储能单元15以及开关单元13之间，用以根据储能单元15的电压值来判断是否导通开关单元13，进而控制储能单元15储存直流电能供负载单元2运作。所述的控制单元17中包括有一电压检测单元171，用以检测储能单元15的电压值。其中，当电压检测单元171检测储能单元15的电压值小于一电压门限值，控制单元17即判断磁性电容151仍有储存电能的容量，因而控制开关单元13导通，使电流流入储能单元15以持续储能；否则，当电压检测单元171检测储能单元15的电压值大于或等于电压门限值，控制单元17即判断磁性电容151已充饱，而控制开关单元13断开。其中，上述的电压门限值为一系统设定值或一使用者设定值。又，电压检测单元171亦可依据系统架构的布设需求移至控制单元17外部，不应以本实施例公开为限。

在本发明的一具体实施例中，控制单元17亦可根据太阳能板11和储能单元15的电压差来判断是否导通开关单元13；而此时的电压检测单元171须同时检测储能单元15以及太阳能板11的电压值。其中，当太阳能板11的电压值大于储能单元15的电压值，控制单元17控制开关单元13导通，使电流流入储能单元15以储存直流电能；否则，当电压检测单元171检测太阳能板11的电压值小于或等于储能单元15的电压值，控制单元17即控制开关单元13断开。

具体来说，上述的控制单元17进行电压比较的实施例，请参考图1B，控制单元17中更包括一比较器173，其正极端接收电压检测单元171测得的储能单元15的电压值，而负极端接收电压门限值，若储能单元15的电压值小于电压门限值，控制单元17即控制开关单元13导通来储能；否则，控制单元17控制开关单元13断开。另一具体实施例中，比较器173的正极端接收电压检测单元171测得的储能单元15的电压值，而负极端接收电压检测单元171测得的太阳能板11的电压值，经过比较来决定是否导通开关单元13。除了上述利用比较器173的方式，亦可使用软件运算来达成，不应以本实施例公开为限。

放电电路19耦接于储能单元15、控制单元17以及负载单元2之间，用以将储能单元15中的直流电能转换成一交流电能，提供给负载单元2运作。请同时参阅图2，该图为本发明的储能单元与其它公知能量储存媒介的比较示意图。本发明的储能单元储存的能量以磁性电容(Magnetic Capacitor)为主，主要是以物理反应的电位能的方式进行储存，而相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介(例如：传统电池)，以化学能为储存方式的能量储存媒介的缺点为：

(1)充、放电速度慢并且会产生热能。

(2)在多次充放电后容量会下降(有漏电之虞)，甚至长时间不使用，也会有容量下降问题(有漏电之虞)。

(3)再者，电池因利用化学物质由化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不致失效变质，当原来化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学反应，此时电池容量下降，就是电池已老化了，电池便宣告寿终，再者若经过长期充放电后，因电池内部电解液的损耗，以及电池内部化学物质活性的降低，造成电池内部的电量无法正常释放出来，常见的现象就是电池发热，此时电池老化，相对电池容量也会下降，造成使用寿命短。另外，超级电容也是化学储能架构，故存在有传统电池的缺点。

由于公知电容中，电容值C由电容面积A、介电层的介质常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下公式(一)，因此模拟于公知电容，本实施例的磁性电容2相当于通过磁场的作用来改变介电层的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$ ………公式(一)

本发明所述的磁性电容151储存的能量全部以电位能的方式进行储存，相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介，磁性电容除了具有可匹配的能量储存密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电、体积小等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。

请一并参考图3，该图为本发明所公开的磁性电容的一具体实施例的结构示意图。如图3所示，磁性电容151包含有一第一磁性电极21、一第二磁性电极25以及一介电层23。其中介电层23设置于第一磁性电极21以及第二磁性电极25之间，用来分隔第一磁性电极21与第二磁性电极25，以在第一磁性电极21与第二磁性电极25处累积电荷，进而储存电位能。具体来说，第一磁性电极21与第二磁性电极25由具磁性的导电材料(例如稀土元素)所构成，并通过适当的外加电场进行磁化，使第一磁性电极21与第二磁性电极25内分别形成磁偶极(magnetic dipole)211、251，以于磁性电容151内部构成磁场来影响带电粒子的移动方向，从而抑制磁性电容151的漏电流。

上述的介电层23为氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或氧化硅(siliconoxide)的群组组合之一，然而本发明所述的磁性电容151的各层均可视产品需求而选用适当的材料，不应以本实施例公开为限。

所需要特别强调的是，磁偶极211、251的箭头方向仅为一示意图。对本领域技术人员而言，应可了解到磁偶极211、251实际上由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加而成，且在本发明中，磁偶极211、251最后形成的方向并无限定，可依磁性电容151的形状进行调整，例如可指向同一方向或不同方向。

接着，请一并参考图4，该图为本发明所公开的第一磁性电极21的一具体实施例的结构示意图。如图4所示，第一磁性电极21为一多层结构，包含有一第一磁性层31、一隔离层33以及一第二磁性层35。其中隔离层33设置于第一磁性层31以及第二磁性层35之间，其由非磁性材料所构成。而第一磁性层31与第二磁性层35则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，通过不同的外加电场，使得第一磁性层31与第二磁性层35中的磁偶极311、351分别具有不同的方向，于本发明的一较佳实施例中，磁偶极311、351的方向为反向，而能进一步抑制磁性电容151的漏电流。

此外，需要强调的是，磁性电极151的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆栈，再通过各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容151的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。

最后，请参考图5，该图为本发明所公开的磁性电容组的一具体实施例的示意图。磁性电容151可根据不同的电压或电容值需求，两两互相以串联或并联的方式耦接，进而形成一磁性电容组4，以满足各种不同装置的电力供应需求。

至于本发明的应用情况，太阳能板11在白天吸收太阳能后，由控制单元17依据前述规则来适当地切换开关单元13，以判断是否将太阳能储存至储能单元15中，待负载单元2需要电力运作时，通过放电电路19将储能单元15的电能转为直流电后供其使用，而无须额外外接一电源供应器。其中，尤指夜晚才使用电力的路灯，不须局限白天产生太阳能的时间限制，即可应用本发明获得电力来运作。

通过以上实例详述，当可知悉本发明的太阳能蓄电系统，使用磁性电容作为储能及释能的装置，相较于一般电容，磁性电容具有体积小、容量大、充放电速度快、价格低等优点，可作为一极佳的能量储存装置或电力供应来源。又利用控制单元控制储存太阳能以及释放电能的时机，通过上述的技术手段，负载端可有效利用太阳能来运作，无须额外外接电源供应器，进而达到节省能源的功效。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种太阳能蓄电系统，其特征在于包括有：

一太阳能板，用以接收太阳能后转换成一电能；

一储能单元，其包括至少一磁性电容；

一开关单元，耦接于该太阳能板及该储能单元之间；以及

一控制单元，耦接于该太阳能板、该储能单元以及该开关单元之间，用以根据该储能单元的电压值来控制该开关单元导通与否；

其中，当该开关单元导通时，电流从该太阳能板流至该储能单元，进而对该磁性电容充电后储存；当该开关单元断开时，即停止对该磁性电容充电。

2、根据权利要求1所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该控制单元包括有：

一电压检测单元，用以检测该储能单元的电压值；

其中，当该储能单元的电压值小于一电压门限值，该控制单元控制该开关单元导通；否则该控制单元控制该开关单元断开。

3、根据权利要求1所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该控制单元包括有：

一电压检测单元，用以检测该储能单元以及该太阳能板的电压值；

其中，当该太阳能板的电压值大于该储能单元的电压值，该控制单元控制该开关单元导通；否则该控制单元控制该开关单元断开。

4、根据权利要求2或3所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该太阳能蓄电系统电性连接至少一负载单元，该太阳能蓄电系统更包括：

一放电电路，耦接于该储能单元、该控制单元以及该负载单元之间，受该控制单元的控制使该储能单元中的该电能转换成一交流电能，提供给该负载单元运作。

5、根据权利要求4所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该负载单元为路灯、电器装置或数字装置的群组组合之一。

6、根据权利要求2所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该电压门限值为一系统设定值或一使用者设定值。

7、根据权利要求1所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该磁性电容包括有：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层，设置于该第一磁性电极以及该第二磁性电极之间；

其中，该第一磁性电极与该第二磁性电极内分别具有磁偶极，用以抑制该磁性电容的漏电流。

8、根据权利要求7所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该介电层为氧化钛、氧化钡钛或氧化硅的群组组合之一。

9、根据权利要求7所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该太阳能蓄电系统包含有多个磁性电容，且各该磁性电容系两两互相串连或并联地耦接。

10、根据权利要求7所述的太阳能蓄电系统，其特征在于该第一磁性电极包括有：

一第一磁性层，具有排列成一第一方向的磁偶极；

一第二磁性层，具有排列成一第二方向的磁偶极；以及

一隔离层，其设置于该第一磁性层以及该第二磁性层之间；

其中，该第一方向与该第二方向互为反向，用以抑制该磁性电容的漏电流。

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